Ny familie af sammensatte strukturer

Materialeforskere ved ETH-Zürich arbejder på kompositmaterialer, der efterligner strukturen af ​​muslingeskaller. Sådanne komplekse strukturer fremstilles ved hjælp af bittesmå magnetiske partikler, som leder kompositternes stivere elementer på plads. Denne teknik muliggør nye teknologier fra holdbare belægninger til stærkere og lettere materialer.

Kompositmaterialer er udbredt i vores samfund. De bruges i en bred vifte af strukturer fra flyvinger og glasfiberbåde til vindmøllevinger og tandrestaureringer. Fordi kompositter kombinerer forskellige klasser af materialer såsom plast, metaller, og keramik, det er muligt at designe dem til at være på samme tid stive og stærke, let og fleksibel. En sådan kombination af egenskaber kan ikke opnås ved brug af én klasse materiale alene; plast er ikke stift, metaller er ikke lette, og keramik er ikke fleksibelt.

Designet og fremstillingen af ​​kompositter, der opnår disse egenskabskombinationer, kræver den korrekte orientering og placering af stærke og stive keramiske eller polymere fibre i et blødere og lettere polymermateriale, såsom en epoxylim. Uden ordentlig orientering, de stivere elementer er ineffektive i deres rolle med at styrke det blødere materiale.

Høj stivhed og styrke

Evnen til at kontrollere denne orientering har længe undgået kompositproducenter. Nuværende kompositmaterialer indeholder stive fibre ofte arrangeret som et stykke stof, som senere infiltreres med en blød, let polymerharpiks. Dette giver høj stivhed og styrke i stoffets plan, som let kan observeres ved at trække i enderne af et enkelt stoflag. Nuværende fremstillingsteknikker stabler adskillige tynde lag for at skabe større strukturer.

Imidlertid, dette fører typisk til kompositter med svag slagfasthed og høj modtagelighed for delaminering mellem stablede lag. Interessant nok, kompositmaterialer produceret af levende organismer udviser elegante løsninger på disse problemer ved at bygge biologiske kompositter ved hjælp af forstærkende elementer med unikke 3D-arkitekturer, som eksemplificeret ved muslingeskalsstrukturen. Lignende 3D-forstærkningsstrategier findes også i tænder, knogler og plantestængler.

Præcis styring af forstærkningselementer

I bladets nummer 13. januar Videnskab , forskere ved ETH-Zürich har afsløret en nyudviklet teknik, der giver mulighed for præcis kontrol af disse stivere forstærkende elementer i en syntetisk komposit. Deres teknik anvender magnetiske kræfter, afhængigt af et lignende fænomen som en stangmagnet, der orienterer jernfyldninger. Den vigtigste udfordring var det faktum, at materialerne af interesse for kompositter er ikke-magnetiske og, dermed, ikke selv reagerer på magnetkræfter.

ETH-holdet opdagede, at de kunne muliggøre en magnetisk reaktion i disse materialer ved at fastgøre en overraskende lille mængde magnetiske nanopartikler (1/1000 af diameteren af ​​et menneskehår) på overfladen af ​​de stive elementer. Denne metode virker kun for stive elementer af en defineret størrelse i mikrometerområdet, som tilfældigvis overlapper med størrelserne af nøgleinteresse i kompositindustrien. Brug af stivere elementer på denne skala giver orienteringskontrol ved hjælp af magnetiske felter, der kun er 20 gange Jordens. Til sammenligning, kreditkortstriber udsender magnetiske felter, der nærmer sig 2, 000 gange Jordens felt.

At sætte teknik i industriel brug

Forskerholdet viste, at denne teknik kan bruges til at producere en hel familie af nye sammensatte strukturer, som ikke var mulige før (figur 2). Disse nye strukturer udviser programmerbare materialeegenskaber i enhver ønsket retning, en egenskab, der ikke er blevet demonstreret med tidligere teknikker. Fordi den nye metode er afhængig af så lave magnetfelter og små belægninger, anvendeligheden i eksisterende fremstillingsprocesser er klar.

ETH-teamet arbejder i øjeblikket med kommercielle virksomheder for at sætte denne teknik i industriel brug. Industrialiseringen af ​​denne tilgang tilbyder en vej til lettere, billigere, og stærkere kompositmaterialer til bil- og rumfartsindustrien og til udvikling af materialer til at fremme høst af vedvarende energi, såsom med lightere, stærkere vindmøllevinger.

The ETH team plans to continue this work by adapting these techniques to a variety of new systems and new materials.